壓覺-滑覺-粗糙度多模態指尖觸覺刺激裝置研究

陳敬,李敏,2,何國瓔,張超宙

(1. 西安交通大學機械工程學院,710049,西安; 2. 西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,710049,西安)

腦卒中手部功能障礙患者往往在手部運動功能受損的同時喪失部分觸覺感知功能[1-2]。觸覺和本體感覺是人體能夠正常運動的前提,觸覺感知功能的缺失會嚴重影響軀體的平衡及運動功能[3]。因此,觸覺等感覺功能的恢復對于患者手部運動功能障礙的治療至關重要[4-6]。

研究表明,觸覺感知功能的喪失可以經過特定感覺訓練加以改善,如通過加大患者感覺輸入的方式,增強對受損神經的刺激或促進形成新的通路,從而使患者恢復正常的感覺功能[7-8]。部分感覺訓練需與運動訓練共同進行[9],更加強調感覺之間的關聯性,因此需要著重關注與運動相關的觸覺感受,如壓覺及滑覺等。此外,物體表面紋理對于物體的準確識別有著重要意義[10-11]。患者在康復后期需要著重開展對手部精細動作的訓練,此時對物體的表面紋理進行模擬,可以有效提高康復效果,因此對物體表面紋理(粗糙度)的模擬也是必不可少的。

目前,可穿戴觸覺反饋裝置的實現方式主要包括兩種:物理刺激再現和直接刺激目標感受器[12-13]。物理刺激再現類裝置如:Hu等[14]設計的一個用于主從式手術機器人的便攜式力反饋裝置,存在體積過大無法適用于五指問題;Leonardis等[15]研制的由3個電機驅動的三自由度指尖力反饋裝置,存在反饋力過小問題;Scheggi等[16]研制的單電機纜線力反饋裝置,存在反饋力方向單一的問題。直接刺激目標感受器主要實現方式為電刺激:Peruzzini等[17]設計的電極陣列電觸覺刺激反饋裝置存在體積過大且與手指無法良好貼合的問題;Ying等[18]設計的硅納米膜二極管多路復用電極陣列,存在制作難度大的問題;Ferrari等[19]設計的紋身紙基材的墨水電觸覺設備,存在使用壽命過短(最高壽命不超過8 h)的問題。物理刺激再現與直接刺激模式存在各自優缺點,可將二者結合,以實現更為有效的觸覺刺激。

為解決刺激裝置模式單一、體積與質量過大、制造難度過大等問題,本文設計了一種壓覺-滑覺-粗糙度多模態指尖觸覺反饋裝置。該裝置由三維力反饋的氣動壓覺裝置和柔性印刷電路板(FPC)電極陣列構成的,通過性能測試實驗證明,設計的觸覺反饋裝置能夠滿足感覺訓練中所需的觸覺刺激需求。與現有觸覺反饋裝置相比,本文提出的裝置可獲得更豐富、且可精確控制的觸覺反饋,為感覺訓練提供有效的硬件支持,促進腦卒中患者觸覺感知功能恢復。

1 指尖觸覺反饋刺激總體方案

為了滿足手康復訓練觸覺刺激的需要,本文提出一種可穿戴指尖觸覺反饋刺激方法,用于對壓覺、滑覺以及物體表面粗糙度進行模擬,輔助腦卒中手部功能障礙患者進行康復訓練。本文采用將氣動反饋和電刺激反饋方法相結合的方案,如圖1所示。

圖1 指尖觸覺反饋刺激實現方案Fig.1 Implementation scheme of fingertip tactile feedback stimulation

首先,粗糙度可以利用振動的方式進行模擬,但是這種方式反饋形式單一且很難再與壓覺結合。因此,本文采用電刺激直接刺激默克爾盤的方式對物體表面粗糙度進行模擬。

其次,用于感知壓覺的帕西尼氏小體位于皮膚深層,而邁斯納小體和默克爾盤則位于皮膚淺層[20-22]。因此,很難通過電刺激做到僅對帕西尼氏小體進行刺激而不影響位于皮膚淺層的其他兩種感受器。因氣動執行器具有反饋力大、接觸面舒適、適合用于康復等優點,所以本文采用氣動驅動的方式實現壓覺反饋。

最后,由于氣動執行器本身的特性,很難做到對滑覺的模擬,因此本文采用電極陣列刺激邁斯納小體的方式來模擬滑覺。

綜上所述,本文將指尖觸覺反饋刺激劃分為指尖接觸壓覺反饋和滑覺-粗糙度模擬兩部分。指尖壓覺反饋采用氣動驅動的方式;采用電刺激的方式,通過刺激邁斯納小體和默克爾盤實現對滑覺和物體表面粗糙度的模擬。

2 指尖壓覺反饋裝置設計

2.1 結構設計

氣動執行器一般由空腔及進氣口組成,工作原理較為簡單:當增大空腔內部氣壓時,較薄的工作面會因氣壓升高而首先發生膨脹,進而與指面相接觸并向指面施加壓力,其余的非工作面則因為壁厚較厚不會發生明顯形變,如圖2所示。

圖2 氣動執行器工作原理Fig.2 Working principle of pneumatic actuator

如圖3所示,指面實際上是一個曲面,在其兩側及靠近指尖的部分均具有一定的弧度,靠近關節的部分則較為平坦。因此,在日常生活中指尖與物體接觸時,接觸力的方向并不總是垂直于指面。

(a)食指正視圖

(b)食指側視圖

基于上述考慮,本文提出一種新的多接觸面氣動指尖壓覺反饋裝置(氣動執行器),如圖4所示。參考人體指尖表面形狀,氣動執行器設有中央、指尖和兩側共計4個氣室分別為指面各區域施加相應的壓力。工作時各氣室獨立供氣,互不影響。

中央氣室及執行器整體形狀參考課題組前期仿真分析結果,均設計為橢圓形。兩側氣室呈手性對稱,與指尖氣室一樣在保證中央氣室及執行器整體形狀的情況下盡可能多的覆蓋指面。中央氣室與其余各氣室間設有1 mm寬的間隔,供執行器能夠自由彎折并與手指貼合。各氣室工作面厚度均為0.45 mm、非工作面厚度均為2 mm,保證執行器在工作時只有工作面發生明顯形變。

(a)整體圖

氣動執行器使用RAISE3D E2 3D打印機整體打印成型,該打印機的最小打印精度為0.01 mm,可以最大限度地保證執行器工作時的氣密性,打印材料選用NinjaFlex柔性材料。

2.2 工作氣壓范圍測試

如上文所述,氣動執行器的兩側氣室呈手性對稱,因此只需要對3種氣室進行性能測試。考慮到各氣室間由柔性材料相連,不易搭建實驗平臺,采用整體打印成型后在連接處裁開分別測試的方式進行實驗。

為了保障氣動執行器工作時的安全性及有效性,首先對其正常工作時的氣壓范圍進行測試,搭建的測試平臺如圖5所示。

圖5 工作氣壓范圍測試平臺Fig.5 Working pressure range test platform

每種氣室取一個進行實驗,從100 kPa開始逐步提高氣壓上限,直到氣壓上限達到氣動比例閥輸出極限或執行器被撐破。每次實驗從0開始,以0.5 kPa為步長,逐步增大到目標氣壓,再以同樣的步長減小到0。記錄每次實驗執行器表面形變和氣壓變化,繪制氣壓-形變曲線。對于氣動軟材料執行器,當輸入氣壓未超過正常工作范圍時,氣壓與形變量成近似線性關系;當輸入氣壓超過上限時,氣壓與形變量出現明顯的非線性特征。因此,本文對形變量曲線求導,得到形變量導數曲線,觀察其在何時不再接近常數的方式得到最大工作氣壓。下面以中央氣室為例,對如何判斷執行器達到最大工作氣壓進行說明。實驗結果如圖6所示,這里只展示了最大工作氣壓附近的結果。

(a)最大氣壓350 kPa

(b)最大氣壓400 kPa

(c)最大氣壓450 kPa

觀察圖6可知,在400 kPa以前的執行器表面形變量導數接近常數,因此可以認為執行器還沒達到最大工作氣壓。從400 kPa往后,形變量的導數開始不再接近常數,且中央氣室表面形變也逐漸無法回歸原點,可以認為此時氣壓上限已經超過了最大工作氣壓。考慮到執行器工作時的安全性,將中央氣室的最大工作氣壓定為350 kPa。采用同樣的方式,可以得到指尖氣室和兩側氣室的最大工作氣壓分別為350 kPa和400 kPa。

3 滑覺-粗糙度模擬裝置設計

本文采用電極陣列直接刺激指尖邁斯納小體和默克爾盤的方式,模擬指尖滑覺與物體表面粗糙度。具體實現方式為:通過控制電極陣列開啟順序,實現不同方向滑覺模擬;通過改變電刺激脈沖頻率,模擬不同大小物體表面粗糙度。

3.1 電刺激設計需求分析

電刺激過程中主要涉及電極與皮膚之間阻抗和人體阻抗兩種阻抗。本文人體阻抗參考佛萊貝爾加(Freiberger H.)等值電路模型[23],電極與皮膚之間參考文獻[24]使用的皮膚與電極間的一階阻抗模型作為電刺激器的設計依據。結合以上兩種模型,可以得到人體阻抗模型,如圖7所示。

圖7 人體阻抗模型Fig.7 Human body impedance model

由圖7可得,電刺激時人體阻抗為

(1)

式中:Z為人體阻抗;R0為人體內電阻,取值500 Ω;Rp為皮膚-電極間阻性成分,取值為10～320 kΩ;f為電刺激頻率;Cp為皮膚-電極間容性成分,約為0.42 nF;R1為皮膚電阻,值為50～200 kΩ;C1為皮膚電容,約為1 nF[23-25]。

由式(1)可知,電刺激頻率越大,人體阻抗越小。考慮到指尖會存在汗液等導致阻抗降低的情況,同時也避免施加在人體的電壓過大造成安全隱患,Rp和R1的取值應該小一些。將Rp與R1的取值定為50 kΩ。

由上述模型可得,人體阻抗的最大值為100 kΩ,而人體能感受到的最小電流為1 mA。為了能夠針對個體差異對電流進行調整,對人體施加0～250 V的電壓。

為保障使用者安全需求,本文采用恒流刺激源進行刺激,同時為減少電刺激給使用者帶來的不適感,本文采取雙向脈沖進行電刺激。在獲取電刺激所需基本參數后,綜合考慮電刺激器的各項設計需求,提出如圖8所示的電刺激器整體設計思路。

圖8 電刺激器模塊組成Fig.8 Composition of electric stimulator module

整個電刺激器的控制模塊(Arduino Mega 2560)工作流程為:電刺激器的主控芯片通過藍牙接收上位機傳來的命令,獲取電刺激的刺激強度、刺激頻率、占空比等刺激信息;隨后主控芯片再通過壓控恒流模塊控制電刺激的電流強度、通過H橋模塊控制電刺激的刺激頻率和占空比;同時刺激電流經過反饋電阻轉化為電壓,再經由Arduino控制器自帶的模數轉換器反饋給上位機,以供實時監控刺激電流強度。

3.2 模塊組成及仿真驗證

圖9 壓控恒流原理圖Fig.9 Schematic diagram of voltage control constant current

(1)恒流模塊。恒流模塊是電刺激器設計中的重要一環,它保證電刺激器輸出電流不會因人體阻抗的變化而產生較大波動。電刺激的電流強度需要根據上位機的命令發生變化,因此本文選擇搭建壓控恒流模塊,如圖9所示。圖中OP27為高增益的運算放大器,PMBTA42為耐高壓的NPN型三極管,Rs為低溫漂的精密電阻。由運放和三極管的特性可得

(2)

式中:V+為運放正向輸入端電壓;V-為運放負向輸入端電壓;Vs為采樣點處反饋電壓;Iout為負載電流;Ic為三極管集電極電流;Ie為三極管發射極電流;Rs為采樣電阻。

結合式(2)中的3個等式,可得

(3)

可以發現,負載電流只受運放正向輸入端的電壓和采樣電阻影響,而采樣電阻Rs是固定的,因此可以通過輸入電壓控制負載電流,采樣電阻可以根據刺激電流范圍決定。

在Multisim軟件中搭建相關電路進行仿真,并讓負載在1～200 kΩ范圍內變化來測試該模塊的恒流特性。通過仿真發現負載的電流為0.995 mA,與式(3)相符。

(2)H橋模塊。H橋模塊一般用于改變電機的轉動方向,在本文中的作用是改變電刺激電流的方向,從而實現雙向脈沖刺激。搭建的H橋電路如圖10 所示。

圖10 H橋電路原理圖Fig.10 Schematic diagram of H-bridge circuit

PA1和PA2為Arduino控制器的兩個控制口,U1和U2為光耦開關,Q1、Q2為PNP型三極管,Q3、Q4為NPN型三極管,RL為負載即人體,Arduino與H橋間通過光耦芯片隔離。該模塊的控制原理如圖11(a)所示。

(a)H橋電路控制

(b)示波器采集結果

當PA1電平為高、PA2電平為低時,Q1和Q4導通,RL上電流方向從左至右。當PA1電平為低、PA2電平為高時,Q2和Q3導通,RL上電流方向從右至左。該模塊與普通H橋相比,只用兩個串口控制,不會存在H橋一側三極管全部導通的情況,控制更加方便。在Multisim軟件中搭建相關電路進行仿真。為測試方便,直接在兩個端口輸入方向相反的周期方波,觀察示波器的采集結果,如圖11(b)所示。

(3)電極陣列。如前所述,為了能夠產生滑覺,需要構建電極陣列來對指尖進行刺激。由于執行器需要貼合手指,而指面又具有弧度,因此采用柔性FPC材料來打印電極陣列。制成的電極陣列如圖12所示。

圖12 本文制作的柔性電極陣列Fig.12 Flexible electrode arrays fabricated in this paper

電極陣列上的13個陽極構成陽極陣列,并共用一個陰極,所有電極均通過轉接板與H橋模塊相連。陽極的開關由Arduino控制,處于陣列四周的每兩個陽極由一個開關控制,處于陣列中央的5個陽極單獨由一個開關控制。該電極陣列可以產生豎直和水平兩類,正反共計4種方向的滑覺。當需要產生沿某方向的滑覺時,按照順序依次開啟和關閉對應陽極的開關從而對滑覺進行模擬。

4 裝置集成及性能測試

將設計制作完成的電刺激裝置與指尖壓覺反饋裝置進行結合,電極陣列直接與指尖皮膚貼合,壓覺反饋部分置于電刺激后方,并與電極共同固定在指尖,具體實現方式如圖13所示。壓覺反饋裝置與電刺激裝置可獨立工作,也可共同協作完成指尖觸覺刺激。

對本文觸覺反饋裝置進行測量,其中單指的指尖壓覺反饋裝置質量為7.2 g,電極陣列質量為7.6 g,單指觸覺反饋裝置質量為14.8 g。結合后觸覺反饋裝置長為40 mm、寬為30 mm。綜上所述,本文設計的觸覺反饋裝置具有質量輕、體積小的特點,能夠滿足五指觸覺裝置的安裝使用需求。

圖13 指尖觸覺反饋刺激實現Fig.13 Realization of fingertip tactile feedback stimulation

4.1 壓覺執行器性能測試

為了方便后續對氣動執行器進行控制,需要測試執行器的力學性能,并擬合出氣壓-力關系曲線作為控制依據。3種氣室分別在各自的最大工作氣壓下進行實驗,搭建實驗平臺如圖14所示。

圖14 氣動執行器力學性能測試Fig.14 Mechanical performance test of pneumatic actuator

每種氣室各取5個進行測試,每次實驗將氣室與傳感器的中心對準,通過軟件對傳感器調零。將各氣室的最大工作氣壓設為目標氣壓,從0以0.5 kPa的步長逐步升至目標氣壓,在達到目標氣壓后再逐步降低氣壓至0。每個執行器重復充放氣3次,記錄輸入氣壓及執行器工作面的接觸力變化。根據實驗數據分別繪制各氣室的氣壓-力關系曲線,并對各氣室取平均并進行擬合,結果如圖15所示。從圖中可以發現,各氣室均有較好的力學性能,線性度較高,遲滯現象較小。各氣室力學性能較為統一,中央氣室最大接觸力為12.734 N,指尖氣室最大接觸力為9.674 N,兩側氣室最大接觸力為8.982 N。

(a)中央氣室

(b)指尖氣室

(c)兩側氣室

由擬合而來的曲線,可以得到各氣室的輸入氣壓與執行器輸出力的關系

(4)

式中:F1為中央氣室執行器工作表面接觸力;F2為指尖氣室執行器工作表面接觸力;F3為兩側氣室執行器工作表面接觸力;P為執行器工作氣壓。

式(4)將作為后續指尖接觸壓覺反饋的控制依據,可見在實際使用時,需要對執行器進行一定氣壓的預加載。

與Leonardis等[15]提出的三自由度指尖力反饋裝置相比,本文提出的指尖接觸壓覺反饋裝置在輸出力大小及裝置質量等方面具有一定的優勢,且能夠對不同方向的接觸力進行模擬。

4.2 電刺激器有效性驗證

在仿真環境下確保所設計的電刺激器能夠正常工作后,用面包板搭建相關電路,并以主觀問卷調查的形式對滑覺粗糙度模擬的有效性進行驗證。本實驗分為兩部分,分別對物體表面粗糙度和滑覺的模擬進行測試。實驗共有8位受試者參與,均在其右手大拇指指尖模擬滑覺或物體表面粗糙度,實驗場景如圖16所示。

圖16 滑覺粗糙度有效性驗證Fig.16 Effectiveness verification of slip roughness

4.2.1 粗糙度模擬有效性驗證

在受試者將拇指指尖放置到指定位置,并使電極陣列彎曲至所有電極盡可能貼合手指后,接通電源。控制電流在1 mA,保持占空比不變,控制電刺激的頻率逐漸從10 Hz提升至100 Hz,詢問每一位受試者的主觀感受。

所有受試者均表示,電刺激與振動反饋的感覺類似,且隨著電刺激頻率的提高,刺激中產生的顆粒感逐漸消失,振動的感覺越來越平滑。

隨后測試受試者對電刺激頻率即物體表面粗糙度的識別準確率。實驗共分為10輪,每輪實驗中頻率為20、50、80 Hz的刺激各出現一次,且出現的順序隨機,由受試者判斷當前出現刺激的頻率,統計受試者的識別準確率。

統計結果表明,所有受試者對物體表面粗糙度(電刺激頻率)的識別準確率均為100%,即本文提出的指尖觸覺反饋刺激方法可以有效地對物體表面粗糙度進行模擬。

4.2.2 滑覺模擬有效性驗證

本文預設的滑覺方向有左-右、右-左、下-上、上-下4種,實驗前先由受試者自行訓練一段時間,當受試者認為已經熟悉各滑覺方向后開始實驗。

實驗同樣分為10輪,每輪4種滑覺方向按照隨機順序依次出現,由受試者判斷當前模擬的滑覺方向,統計受試者準確識別和粗略識別的準確率。所謂準確識別是指受試者準確判斷出當前滑覺的方向,比如左-右或右-左。粗略識別則指的是受試者能夠判斷出當前模擬的滑覺方向是水平還是豎直。假設當前滑覺方向是左-右,而受試者判斷結果為右-左也認為受試者粗略識別正確。統計結果如圖17 所示。

圖17 受試者滑覺識別準確率Fig.17 The accuracy rate of slide recognition of subjects

所有受試者對水平方向及豎直方向均具有較高的粗略識別準確率。與之相比,4種方向的準確識別率要稍低一些。這可能是因為,本文設計的電極陣列在電極排布方面存在一定問題,導致陣列在每種方向上的刺激間隔較短,使得受試者產生了混淆。Rahimi等[26]同樣采用電極陣列的方式對滑覺進行模擬,但是因為采用印制電路板制作執行器,電極與指面貼合不夠緊密,因此水平方向的識別準確率要明顯低于豎直方向。

5 結 論

本文提出了一種氣動壓覺與電刺激反饋結合的多模態指尖觸覺裝置,單指指尖觸覺反饋裝置質量為14.8 g、長為40 mm、寬為30 mm。本文觸覺反饋裝置利用電刺激觸覺反饋完成對物體滑覺與粗糙度的感知,同時利用氣動壓覺反饋裝置完成多維壓覺力反饋。經實驗結果表明,電刺激粗糙度識別準確率達到100%,滑覺粗糙識別率超過80%,氣動壓覺反饋單腔力反饋最大為12 N,由此該裝置具質量輕、體積小、力反饋足、多模態等特點,能夠滿足康復訓練中對指尖觸覺反饋的需求。

在未來工作中,針對不同使用者生理條件差異所導致的模擬真實觸覺效果有限,后續將進一步研究觸覺生物模型及控制程序以改善本裝置觸覺模擬效果。此外,進一步開發具有更多模態的觸覺反饋裝置,并研究不同觸覺反饋模式耦合關系以指導后續觸覺裝置改進,使不同模式觸覺反饋裝置能夠進一步融合,以提供更為符合康復訓練所需觸覺反饋,以最終實現提升患者康復效果。